JPWO2018110539A1 - 信号処理装置、および信号処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような伸縮センサの一例としては、測定体としてカーボンナノチューブ(carbon nanotube:以下、CNTと略記する)を用いたCNT歪みセンサが挙げられる(例えば、特許文献1或いは特許文献2参照)。CNTは、CNTに加えられた力に応じて電気抵抗値が変化するといった性質を有する。従って、CNT歪みセンサに設けられたCNTの電気抵抗値を計測することで、CNT歪みセンサの伸縮、または、CNT歪みセンサに加わった応力を検出することができる。また、伸縮センサの他の例としては、導電性繊維とゴム繊維を用いて伸縮する組紐を測定体として採用し、組紐の電気抵抗値を計測することによって組紐の伸縮量を検出する組紐センサが挙げられる(非特許文献1参照)。
(A:第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る信号処理装置10Aを含む信号処理システムの構成例を示す図である。信号処理装置10Aには、モーションキャプチャ用のデータグローブなど、伸縮センサ20を用いたウェアラブルセンサが接続される。信号処理装置10Aは、例えばDSP(Digital Signal Processor)であり、伸縮センサ20の出力信号に本発明特有の処理を施して出力する装置である。本実施形態における伸縮センサ20はCNT歪みセンサである。伸縮センサ20は、測定体であるCNTを備える。そして、伸縮センサ20は、伸縮センサ20の伸長に応じて立ち上がり、伸縮センサ20の収縮に応じて立ち下がる信号を出力する。
図1に示すように、信号処理装置10Aは、受信手段100と、信号処理手段110Aとを有する。本実施形態における受信手段100は、信号線等を介して伸縮センサ20を電気的に接続するための入力端子である。但し、受信手段100として無線通信回路を採用することで、信号処理装置10Aと伸縮センサ20とが無線接続する構成としてもよい。要は、受信手段100は、伸縮センサ20の出力信号を受信するものであれば良い。受信手段100は、伸縮センサ20から受信した信号を信号処理手段110Aに引き渡す。信号処理手段110Aは、受信手段100により受信された信号に、当該信号の立ち下りの遅れを補正する信号処理を施して後段の装置へ出力する。本実施形態では、伸縮センサ20が、CNT等の測定体と、粘弾性を有するゴム等の素材を有していることと仮定したうえで、伸縮センサ20を図3に示す標準線形固体モデルによりモデル化する。そして、本実施形態に係る信号処理手段110Aは、伸縮センサ20をモデル化した標準線形固体モデルに基づいて定められるカルマン・フィルタを用いて、伸縮センサ20の出力信号の非対称性を補正する、カルマン・フィルタ処理を実行する。
この場合、標準線形固体モデルにおいて、時刻tにおける伸縮センサ20の伸縮の大きさを示す歪みε(t)は、以下の式(1)で示すように、時刻(t−1)における伸縮センサ20の歪みε(t−1)と、時刻tにおいて伸縮センサ20に加わる応力σ(t)と、時刻(t−1)において伸縮センサ20に加わった応力σ(t−1)と、を用いて表すことができる。
図4に示すように、信号処理手段110Aは、まず、初期化処理を行う(SA100)。具体的には、信号処理手段110Aは、ステップSA100において、時刻tを示すカウンタ変数に初期値を設定し、外乱eεおよびeσに初期値を設定し、また、状態変数(ε(t−1),σ(t),σ(t−1))に初期値を設定する。
また、信号処理手段110Aは、カウンタ変数の示す時刻tにおける伸縮センサ20の出力信号の表す電圧値を、電気抵抗値R(t)に換算する(SA110)。
次に、信号処理手段110Aは、状態変数(ε(t),σ(t+1),σ(t))を、状態変数(ε(t−1),σ(t),σ(t−1))と式(7)とにしたがって算出し、当該算出結果を、メモリ等の記憶部(図示略)に記憶させる(SA120)。
そして、信号処理手段110Aは、ステップSA120において算出した状態変数(ε(t),σ(t+1),σ(t))を、式(8)に示す観測方程式と、ステップSA110において伸縮センサ20の出力信号に基づいて算出された電気抵抗値R(t)と、に基づいて更新し、更新後の状態変数(ε(t),σ(t+1),σ(t))のうち、応力σ(t)を、後段の装置に出力する(SA130)。具体的には、信号処理手段110Aは、例えば、ステップSA130において、第1に、ステップSA120で算出した状態変数(ε(t),σ(t+1),σ(t))を、式(8)に適用することで、電気抵抗値R(t)の推定値を算出する。第2に、信号処理手段110Aは、例えば、電気抵抗値R(t)の推定値と、伸縮センサ20の出力信号に基づいて算出された電気抵抗値R(t)と、の差分値を、観測残差として算出する。第3に、信号処理手段110Aは、ステップSA120で算出した状態変数(ε(t),σ(t+1),σ(t))を、観測残差を用いて更新することで、更新後の状態変数(ε(t),σ(t+1),σ(t))を算出する。
次いで、信号処理手段110Aは、操作部(図示略)等に対する操作により、カルマン・フィルタ処理の終了を指示されたか否かを判定する(SA140)。信号処理手段110Aは、ステップSA140の判定結果が“Yes”であれば、カルマン・フィルタ処理を終了する。また、信号処理手段110Aは、ステップSA140の判定結果が“No”である場合、時刻tを示すカウンタ変数を1だけカウントアップし(SA150)、処理をステップSA110に進める。
以上が本実施形態の信号処理装置10A構成である。
なお、当該シミュレーションに係る標準線形固体モデルでは、ばね係数E1、ばね係数E2、及び、粘性係数ηに対して、E1=2.0×106[Pa]、E2=5.5×106[Pa]、および、η=2.3×105[Pa・s]を設定した。なお、以下では、ばね係数E1、ばね係数E2、及び、粘性係数ηを、モデルパラメータと総称する場合がある。
また、図7における応力推定値の算出では、信号処理手段110Aに対して、モデルパラメータE2として、波形G30により示される応力推定値の算出の際には、真値であるE2=5.5×106[Pa]を設定し、波形G31により示される応力推定値の算出の際には、真値とは異なるE2=3.5×106[Pa]を設定し、波形G32により示される応力推定値の算出の際には、真値とは異なるE2=7.0×106[Pa]を設定した。
図7における波形G30と図5における波形G10とを比較すれば明らかなように、モデルパラメータE1およびηに加えてE2の値が真値であれば、波形G10で表された伸縮センサ20に対して与えられた応力を精度よく推定できていることが分かる。そして、図6における波形G30と波形G31及び波形G32を比較すれば明らかなように、信号処理手段110Aに対して与えられるモデルパラメータE2の値の真値からのずれが大きくなるほど、アンダーシュートまたはオーバシュートに起因して、信号処理手段110Aにおいて算出される応力推定値と、波形G10で表された伸縮センサ20に対して与えられた応力との間の誤差が大きくなる。但し、信号処理手段110Aに対して与えられるモデルパラメータE2の値が真値からずれた場合には、モデルパラメータE1の値が真値からずれた場合と比較して、信号処理手段110Aにおいて算出される応力推定値と、波形G10で表された伸縮センサ20に対して実際に与えられた応力との間の誤差は小さい。
また、図8における応力推定値の算出では、信号処理手段110Aに対して、モデルパラメータηとして、波形G40により示される応力推定値の算出の際には、真値であるη=2.3×105[Pa・s]を設定し、波形G41により示される応力推定値の算出の際には、真値とは異なるη=1.1×105[Pa・s]を設定し、波形G42により示される応力推定値の算出の際には、真値とは異なるη=3.2×105[Pa・s]を設定した。
図8における波形G40と図5における波形G10とを比較すれば明らかなように、モデルパラメータE1およびE1に加えてηの値が真値であれば、波形G10で表された伸縮センサ20に対して与えられた応力を精度よく推定できていることが分かる。そして、図8における波形G40と波形G41及び波形G42を比較すれば明らかなように、信号処理手段110Aに対して与えられるモデルパラメータηの値の真値からのずれが大きくなるほど、アンダーシュートまたはオーバシュートに起因して、信号処理手段110Aにおいて算出される応力推定値と、波形G10で表された伸縮センサ20に対して実際に与えられた応力との間の誤差が大きくなる。但し、信号処理手段110Aに対して与えられるモデルパラメータηの値が真値からずれた場合には、モデルパラメータE1の値が真値からずれた場合と比較して、信号処理手段110Aにおいて算出される応力推定値と、波形G10で表された伸縮センサ20に対して実際に与えられた応力との間の誤差は小さい。また、信号処理手段110Aに対して与えられるモデルパラメータηの値が真値からずれた場合には、モデルパラメータE2の値が真値からずれた場合と比較して、信号処理手段110Aにおいて算出される応力推定値と、波形G10で表された伸縮センサ20に対して実際に与えられた応力との間の誤差は大きい。
図10は、本発明の第2実施形態による信号処理装置10Bの構成例を示す図である。図10と図1とを比較すれば明らかなように信号処理装置10Bの構成は信号処理手段110Aに代えて信号処理手段110Bを設けた点が信号処理装置10Aの構成と異なる。図10に示すように信号処理手段110Bは、絶対値算出部112、包絡線検出部114、ゲイン設定部116および乗算部118を有する。
以上本発明の第1および第2実施形態について説明したが、これら実施形態を以下のように変形しても良い。
(1)上記各実施形態の伸縮センサ20はCNT歪みセンサであったが、非特許文献1に開示の組紐センサであっても良い。組紐センサにおいても、その構造に起因して収縮時の信号の波形変化に遅れが発生するからである。また、上記各実施形態では、伸縮センサ20の出力信号における立ち下がりの遅延を補正する場合について説明したが、要は、物理変化に応じた出力信号が立ち上がり、当該物理変化とは逆の物理変化に応じて出力信号が立ち下がるセンサであって、その構造に起因して出力信号の立ち下りが立ち上がりに比較して遅れるセンサであれば、本発明を適用することで出力信号の非対称性を解消することができる。
例えば、第1実施形態の信号処理装置10Aは、出力信号の立ち上がりが立ち下がりに比較して遅れるセンサについても当該出力信号の非対称性を解消可能である。
また、第2実施形態の信号処理装置10Bであれば、受信手段100により受信された信号の包絡線の振幅が所定値を下回った場合に増幅手段である乗算器118における増幅率を引き下げることに代えて、受信手段100により受信された信号の包絡線の振幅が所定値を上回った場合に増幅手段における増幅率を引き上げるようにすればよい。この場合、信号処理装置10Bは、出力信号の立ち上がりが立ち下がりに比較して遅れるセンサについて当該出力信号の非対称性を解消可能である。
上述した実施形態及び変形例の記載より把握される本発明の好適な態様を以下に例示する。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
この態様によれば、センサを用いて物体の電気抵抗の変化を計測する際に、当該物理変化を精度よく計測することができる。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消することができる。
この態様によれば、センサから出力される信号の非対称性を解消し、また、センサを用いて物理変化を計測する際に当該物理変化に対する補正後の信号の追従性を向上させることができる。
Claims (7)
- 物理変化に応じて立ち上がり前記物理変化とは逆の物理変化に応じて立ち下がる信号を出力するセンサから前記信号を受信するステップと、
前記受信された信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる場合に、前記遅れを補正するステップと、
を有することを特徴とする信号処理方法。 - 前記物理変化は、前記センサに設けられた物体の電気抵抗の変化である、
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理方法。 - 前記補正するステップでは、カルマンフィルタを用いて前記遅れを補正する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の信号処理方法。 - 前記補正するステップは、
前記受信された信号の包絡線の振幅と所定値との比較結果に応じて増幅率を決定するステップと、
前記受信された信号の振幅を、前記増幅率に応じて調整するステップと、
を有する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の信号処理方法。 - 前記信号は立ち上がりに対して立ち下りが遅れる信号であり、
前記補正するステップでは、
前記受信された信号の包絡線の振幅が所定値を下回った場合に前記増幅率を引き下げる
ことを特徴とする請求項4に記載の信号処理方法。 - 前記信号は立ち下がりに対して立ち上がりが遅れる信号であり、
前記補正するステップでは、
前記受信された信号の包絡線の振幅が所定値を上回った場合に前記増幅率を引き上げる
ことを特徴とする請求項4に記載の信号処理方法。 - 物理変化に応じて立ち上がり前記物理変化とは逆の物理変化に応じて立ち下がる信号を出力するセンサから前記信号を受信する受信手段と、
前記受信手段により受信される信号の立ち上がりと立ち下がりの一方が他方に対して遅れる場合に、前記遅れを補正する処理を行う信号処理手段と、
を有することを特徴とする信号処理装置。
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